本发明公开了一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，包括有的相互配合安装的云台旋转组件、极向旋转组件和环向旋转组件，所述环向旋转组件的云台框架与云台旋转组件的旋转云台配合安装，所述极向旋转组件的极向推动连杆从环向旋转组件的环形旋杆的内部穿过，且极向推动连杆与环形旋杆配合的末端处安装有真空容器壁或真空法兰，所述真空容器法兰使其左端云台旋转组件以及部分极向旋转组件和环向旋转组位于真空环境内。本发明结构设计合理，其结构紧凑、占用空间小、精度高，尤其适用于等离子体物理实验装置中的诊断设备、光学调整设备、真空镀膜机内部靶板或样品台、以及各类真空和超高真空条件下的高精度多维旋转机构。
1.一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，包括有的相互配合安装的云台旋转组件、极向旋转组件和环向旋转组件，所述云台旋转组件包括有旋转云台，所述旋转云台的背面安装有云台推动块，旋转云台的两侧分别安装云台旋转轴；所述极向旋转组件包括有安装到云台推动块上的极向推动连杆，所述极向推动连杆的另一端安装在极向轴承座上，且极向轴承座中转动安装有极向推动杆，所述极向推动杆的末端焊接有极向推杆法兰，所述极向推杆法兰与极向波纹管组件用无氧铜超高真空密封垫保持密封连接，并与极向运动连接件硬性连接紧固，所述极向运动连接件由其后端的极向直线运动模组驱动；所述环向旋转组件包括有云台框架，所述云台框架的后端安装有环向旋杆，所述环向旋杆的末端安装有环向推杆，所述环向推杆的末端焊接有环向推杆法兰，所述环向推杆法兰与环向波纹管组件用无氧铜超高真空密封垫保持密封连接，并与环向运动连接件硬性连接紧固，所述环向运动连接件由其后端的环向直线运动模组驱动，所述云台框架与旋转云台配合安装，环向旋杆安装在两个旋杆支撑组里；所述极向推动杆从环向旋杆的内部穿过，且极向推动杆与环向旋杆配合的末端处安装有真空容器法兰，真空容器法兰使其左端云台旋转组件以及部分极向旋转组件和环向旋转组位于真空环境内。
2.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的云台旋转轴采用紧配合的安装方式装配进云台侧面，云台旋转轴另一端为安装陶瓷轴承用的装配面，末端设计有用于拆卸云台旋转轴的螺纹孔；所述陶瓷轴承使用的材料为在真空环境下使用的自润滑陶瓷轴承，即选用氮化硼材料的小游隙轴承，极向旋转轴承采用成对安装的角接触球轴承，环向旋转轴承采用深沟球轴承。
3.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的极向推动连杆与云台推动块用小间隙配合零件连接销杆安装连接，极向推动连杆另外一端用连接销杆与极向轴承座安装连接，所述极向轴承座下部安装极向陶瓷轴承，并用轴承挡板限制轴承和极向推动杆的轴向位移；所述的连接销杆与极向轴承座和极向推动连杆之间以及所有需要连接的连杆之间的配合间隙为0.03—0.04mm。
4.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的云台框架两侧安装环向陶瓷轴承和轴承盖，轴承内孔安装云台旋转轴，云台框架在云台的环向旋转轴线处开有安装孔，安装推杆滑动垫并由环向杆连接压紧，环向杆连接焊接在环向旋杆上。
5.根据权利要求4所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的推杆滑动垫的材料为可在超高真空环境下使用的自润滑材料聚四氟乙烯，靠紧配合的安装方式安装进云台框架轴线处安装孔里，同时内径与极向推动杆前部间隙配合，所述推杆滑动垫安装孔与云台框架两侧轴承安装孔的垂直度好于0.02mm，两轴承安装孔同心度好于0.02mm。
6.根据权利要求4所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的环向旋杆为一段空心的不锈钢管，通过环形旋杆和云台框架带动旋转云台做环向转动，环向旋杆的另一端安装有轴杆支撑垫和轴杆挡圈，轴杆支撑垫为聚四氟乙烯材料，内穿极向推动杆，允许极向推动杆在环向旋杆内部沿轴向运动而限制其径向运动。
7.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的环向旋杆安装在两个旋杆支撑组件里，所述的旋杆支撑组件是安装在真空室内部的两个支撑组件，通过调整旋杆支撑组件的水平和上下四个位移来调节位置和方向。
8.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：真空容器法兰是真空容器上用于安装多维旋转平台的安装接口、真空室壁或真空容器壁，所述的真空容器法兰上必须有一个小型真空盒体并焊接有两个相互垂直的法兰，用以密封极向和环向运动的波纹管组件，且器壁、法兰、接管、盒体处的焊缝用氦质谱检漏仪做真空漏率检测，真空漏率好于1×10-13Pa.m3/s。
9.根据权利要求1所述的超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，其特征在于：所述的极向直线运动模组和环向直线运动模组分别包含有伺服电机、减速器、滚珠丝杠副、直线导轨、滚珠滑块，所述丝杠与直线导轨的平行度好于0.03mm；所述极向直线运动模组和环形直线运动模组使用集成的直线运动模组产品，集成产品的滑块重复定位精度好于±
一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种可在超高真空条件下使用的紧凑型高精度多维旋转机构，主要应用于精密机械、光学设备、医疗器械设备、机器人、运动模拟、机械制造、自动化装配设备、精密加工与测量等领域。尤其适用于等离子体物理实验装置中的诊断设备、光学调整设备、真空镀膜机内部靶板或样品台、以及各类真空和超高真空条件下的高精度多维旋转机构。
背景技术
[0002] 高真空和超高真空装置内部的器件高精度多维旋转运动导入一直是光学、真空设备和等离子体诊断设备领域的一大难题。难点主要体现在真空密封与部件的运动传递之间的矛盾，空间自由转动任意指定角度精度的伺服控制，超高真空条件对室内材料的限制和无油无脂“绝对干净”的要求，运动精度的保证，以及结构不够紧凑真空室内部空间占用太大等。
发明内容
[0003] 本发明的目的是为了弥补已有技术的不足，提供了一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，该机构可与各类真空腔体或容器实现超高真空密封安装以及可精确计算并控制的空间多维角度旋转,整套机构可分为旋转云台、极向旋转组件和环向旋转组件三大部分组成，每套旋转组件分别由传动机构和伺服运动系统构成。
[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0005] 一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，包括有的相互配合安装的云台旋转组件、极向旋转组件和环向旋转组件，所述云台旋转组件包括有旋转云台，所述旋转云台的背面安装有云台推动块，旋转云台的两侧分别安装云台旋转轴；所述极向旋转组件包括有安装到云台推动块上的极向推动连杆，所述极向推动连杆的另一端安装在极向轴承座上，且极向轴承座中转动安装有极向推动杆，所述极向推动杆的末端焊接有极向推杆法兰，所述极向推杆法兰与极向波纹管组件用无氧铜超高真空密封垫保持密封连接，并与极向运动连接件硬性连接紧固，所述极向运动连接件由其后端的极向直线运动模组驱动；所述环向旋转组件包括有云台框架，所述云台框架的后端安装有环形旋杆，所述环形旋杆的末端安装有环形推杆，所述环形推杆的末端焊接有环形推杆法兰，所述环形推杆法兰与环向波纹管组件用无氧铜超高真空密封垫保持密封连接，并与环向运动连接件硬性连接紧固，所述环向运动连接件由其后端的环向直线运动模组驱动，所述环形推杆的中部由旋杆支撑组件支撑；所述云台框架与旋转云台配合安装，所述极向推动连杆从环形旋杆的内部穿过，且极向推动连杆与环形旋杆配合的末端处安装有真空容器壁或真空法兰，所述真空容器法兰使其左端云台旋转组件以及部分极向旋转组件和环向旋转组位于真空环境内。
[0006] 所述的云台转动轴采用紧配合的安装方式装配进云台侧面，，云台转动轴另一端为安装陶瓷轴承用的装配面，末端设计有可用于拆卸云台转动轴的螺纹孔；所述陶瓷轴承使用的材料为可在真空环境下使用的自润滑陶瓷轴承，优先选用氮化硼材料的小游隙轴承，所述极向旋转轴承采用成对安装的角接触球轴承，环向旋转轴承采用深沟球轴承。
[0007] 所述的极向推动连杆与云台推动块用小间隙配合零件连接销杆安装连接，极向推动连杆另外一端用连接销杆与极向轴承座安装连接，所述极向轴承座下部安装极向陶瓷轴承，并用轴承挡板限制轴承和极向推动杆的轴向位移；所述的连接销杆与极向轴承座和极向推动连杆之间以及所有需要连接的连杆之间的配合间隙为0.03—0.04mm；
[0008] 所述的云台框架两侧安装环向陶瓷轴承和轴承盖，轴承内孔安装云台旋转轴，云台框架在云台的环向旋转轴线处开有安装孔，安装推杆滑动垫并由环向杆连接压紧，环向杆连接焊接在环向旋杆上。
[0009] 所述的推杆滑动垫的材料为可在超高真空环境下使用的自润滑材料聚四氟乙烯，靠紧配合的安装方式安装进云台框架轴线处安装孔里，同时内径与极向推动杆前部间隙配合，所述推杆滑动垫安装孔与云台框架两侧轴承安装孔的垂直度好于0.02mm，两轴承安装孔同心度好于0.02mm。。
[0010] 所述的环向旋杆为一段空心的不锈钢管，通过环向杆连接和云台框架带动旋转云台做环向转动，环向旋杆的另一端安装有轴杆支撑垫和轴杆挡圈，轴杆支撑垫为聚四氟乙烯材料，内穿极向推动杆，允许极向推动杆在环向旋杆内部沿轴向运动而限制其径向运动。
[0011] 所述的环向旋杆安装在两个旋杆支撑组件里，所述的旋杆支撑组件是安装在真空室内部的两个支撑组件，通过调整旋杆支撑组件的水平和上下四个位移来调节位置和方向。
[0012] 所述的真空容器法兰既可以是真空容器上用于安装多维旋转平台的安装接口，也可以是真空室壁或真空容器壁，所述的真空容器法兰上必须有一个小型真空盒体并焊接有两个相互垂直的法兰，用以密封极向和环向运动的波纹管组件，且器壁、法兰、接管、盒体处的焊缝用氦质谱检漏仪做真空漏率检测，真空漏率好于1×10-13Pa.m3/s。
[0013] 所述的极向直线运动模组和环形直线运动模组分别包含有伺服电机、减速器、滚珠丝杠副、直线导轨、滚珠滑块，所述丝杠与直线导轨的平行度好于0.03mm；所述极向直线运动模组和环形直线运动模组也可使用集成的直线运动模组产品，集成产品的滑块重复定位精度好于±0.02mm。
[0014] 本发明的优点是：
[0015] 本发明结构设计合理，其结构紧凑、占用空间小、精度高，主要应用于精密机械、光学设备、医疗器械设备、机器人、运动模拟、机械制造、自动化装配设备、精密加工与测量等领域，尤其适用于等离子体物理实验装置中的诊断设备、光学调整设备、真空镀膜机内部靶板或样品台、以及各类真空和超高真空条件下的高精度多维旋转机构。
附图说明
[0016] 图1是本发明可用于超高真空条件下的高精度多维旋转机构结构示意图；
[0017] 图2是云台组件的机构示意图；
[0018] 图3是极向旋转组件结构示意图；
[0019] 图4是环向旋转组件结构示意图；
[0020] 图5是环向旋转云台与极向轴承座安装示意图；
[0021] 图6是云台极向转角与丝杠滑块距离的函数关系曲线；
[0022] 图7是云台环向转角与丝杠滑块距离的函数关系曲线；
[0023] 图8是实际运动空间角度与输入的两个方向角度对应的空间函数关系曲线。
具体实施方式
[0024] 参见附图1，一种超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构，包括有超高真空环境下紧凑型高精度多维旋转机构包含云台旋转组件1，极向旋转组件2，环向旋转组件3，真空容器壁或真空法兰4。所述的真空法兰4左边的部分均位于真空环境内。
[0025] 参见图2，云台旋转组件1包含有旋转云台101，背面安装有云台推动块102，两侧安装云台旋转轴103。
[0026] 参见图3，极向旋转组件2实施方式为：极向推动连杆201安装到云台推动块102上，以推动云台绕云台旋转轴103做极向旋转运动。极向推动连杆201与云台推动块102用小间隙配合零件连接销杆202安装连接，极向推动连杆201另外一端用连接销杆202与极向轴承座203安装连接。极向轴承座203下部安装极向陶瓷轴承204，并用轴承挡板205限制轴承和极向推动杆206的轴向位移。这样，极向推动杆206就可以推动云台沿极向角旋转，同时对环向旋转组件的其他零件不产生影响。极向推动杆206的末端与极向推杆法兰208焊接，极向推杆法兰208与极向波纹管组件207用无氧铜超高真空密封垫保持密封连接，并与极向运动连接件209硬性连接紧固。当输入运动指令到伺服电机控制器中时，由极向直线运动模组210推动极向运动连接件209和极向推动杆206，再经由极向轴承座203传递极向推力到极向推动连杆201，由其推动云台精确转动。
[0027] 参见图4和图5，环向旋转组件3包含有云台框架301，云台框架301两侧安装环向陶瓷轴承302和轴承盖303，轴承内孔安装云台旋转轴103。云台框架301在云台的环向旋转轴线处开有安装孔，安装推杆滑动垫315并由环向杆连接304压紧。所述的推杆滑动垫315材料为可在超高真空环境下使用的自润滑材料聚四氟乙烯，靠紧配合的安装方式安装进云台框架301轴线处安装孔里，同时内径与极向推动杆206前部间隙配合。环向杆连接304焊接在环向旋杆305上，所述的环向旋杆305为一段空心的不锈钢管，通过环向杆连接304和云台框架301带动旋转云台101做环向转动。环向旋杆304的另一端安装有轴杆支撑垫307和轴杆挡圈
308，轴杆支撑垫307为聚四氟乙烯材料，内穿极向推动杆206，允许极向推动杆206在环向旋杆305内部沿轴向运动而限制其径向运动。环向旋杆305安装在两个旋杆支撑组件306里，所述的旋杆支撑组件306是安装在真空室内部的两个支撑组件，通过调整旋杆支撑组件306的水平和上下四个位移来调节位置和方向。旋杆支撑组件306限制了环向旋杆305的轴向移动和径向移动，而只允许其能做旋转运动。环向旋杆305的末端还安装有可使其在旋杆支撑组件306里转动的环向推动连杆309，后者与环向推杆310连接，而环向推杆310焊接在环向推杆法兰312上，使用时用无氧铜金属密封垫密封安装环向波纹管组件311到环向推杆法兰
312上，并与环向运动连接件313硬性连接。这样，当环向直线运动模组314推动环向运动连接件313的时候即可推动环向旋杆305做环向转动运动，从而带动云台框架301和旋转云台
101进行精确的环向旋转运动。
[0028] 极向直线运动模组210上的运动滑块与旋转云台101的旋转角度之间的函数关系曲线如图6所示。可以看到，运动滑块与实际转角之间近似于线性的关系，而且，相同角度值的前进与后退转动也都基本对应着相同的滑块位移增加或较少量。具体实施的时候，由计算机控制程序根据输入的具体极向角度数值，由极向运动转换方程计算得到极向直线运动模组210上的运动滑块需要运动的确切数值，并由伺服控制电机和滚珠丝杠精确控制滑块运动到需要的位置，此处的直线运动控制精度可到万分之二毫米，最终的旋转云台极向旋转精度为0.18°。
[0029] 参见图7和图8，环向直线运动模组314上的运动滑块与旋转云台101的旋转角度之间的函数关系曲线呈现出非常明显的非线性。粗略来看，在-30°~+40°的范围内可近似认为是线性的关系。具体实施的时候，由计算机控制程序根据环向运动转换方程，和输入的需要运动的具体环向角度数值，计算得到环向直线运动模组314上的运动滑块需要运动的确切数值，并由伺服控制电机和滚珠丝杠精确控制滑块运动到需要的位置，滑块的直线运动控制精度可到万分之二毫米，最终传递到旋转云台环向旋转精度为0.24°。
[0030] 参见图8，云台101单纯做极向运动的时候对环向旋转组件3不造成任何影响，环向旋杆305和云台框架301均不会跟着运动，环向直线运动模组314不需要跟着做相应联动。而当云台101环向运动的时候，会带动极向推动连杆201和极向轴承座203跟着一起转动，但是通过极向陶瓷轴承204吸收环向运动的受力后，对极向推动杆206不造成影响。也即是云台101环向运动的时候，极向推动杆206和极向直线运动模组210可以不需要跟着做被动的联动运动。但是，由图8可以看出，云台101环向运动的时候会影响极向角，根据实际运动情况，需要极向角做一定的补偿，详细补偿角度根据图8和联立方程计算得到，然后由计算机控制程序根据计算数值控制云台做极向实时补偿运动。
[0031] 实施多维旋转运动时，当计算好各自需要转动的角度后，环向运动电机与极向运动电机的控制无论哪个先哪个后，抑或是两个电机一起运动，云台的最终空间旋转角度都是一样的。
